Когда мы смотрим на Вселенную, даже с помощью Хаббла, мы видим только самые близкие, самые большие и самые яркие галактики. Вот где остальные.
Ключевые выводы
- Самое глубокое изображение из когда-либо сделанных, телескоп Хаббла eXtreme Deep Field, показало около 5 500 галактик на площади, занимающей всего 1/32 000 000 часть неба.
- Но сегодня, по оценкам ученых, существует более чем в десять раз больше галактик, чем Хаббл, даже на своих пределах, способен увидеть.
- В общей сложности в наблюдаемой Вселенной насчитывается около 2 триллионов галактик. Вот откуда мы знаем.
Когда вы смотрите на ночное небо сквозь пелену звезд и плоскость Млечного Пути рядом, вы не можете не чувствовать себя маленьким перед великой бездной Вселенной, которая лежит за пределами. Несмотря на то, что почти все они невидимы для нашего глаза, наша наблюдаемая Вселенная, простирающаяся на десятки миллиардов световых лет во всех направлениях, содержит в себе фантастически большое количество галактик.
Точное количество галактик там было загадкой, и оценки возрастали от тысяч до миллионов и миллиардов, и все это по мере совершенствования технологии телескопов. Если бы мы сделали самую простую оценку, используя лучшую на сегодняшний день технологию, мы бы заявили, что в нашей Вселенной насчитывается 170 миллиардов галактик. Но мы знаем больше, и наша современная оценка еще больше: два триллиона галактик. Вот как мы туда попали.
Наши самые глубокие исследования галактик могут выявить объекты, находящиеся на расстоянии десятков миллиардов световых лет, но даже с идеальной технологией будет большой разрыв в расстоянии между самой далекой галактикой и Большим взрывом. В какой-то момент наша аппаратура просто не может раскрыть их все..
В идеальном мире мы бы просто пересчитали их всех. Мы направляли наши телескопы на небо, покрывали все вокруг, собирали каждый фотон, испускаемый на нашем пути, и обнаруживали каждый объект, который был там, каким бы слабым он ни был. Обладая сколь угодно хорошей технологией и бесконечным количеством ресурсов, мы бы просто измерили все во Вселенной, и это помогло бы нам узнать, сколько там галактик.
Но на практике это не сработает. Наши телескопы ограничены в размерах, что, в свою очередь, ограничивает количество фотонов, которые они могут собрать, и разрешение, которого они могут достичь. Существует компромисс между тусклостью объекта, который вы можете видеть, и тем, сколько неба вы можете охватить одновременно. Часть Вселенной затемнена промежуточной материей. И чем дальше объект, тем тусклее он кажется; в какой-то момент источник оказывается настолько далеко, что даже наблюдение в течение столетия не обнаружит такую галактику.
Звезды и галактики, которые мы видим сегодня, не всегда существовали, и чем дальше мы уходим в прошлое, тем ближе к идеально гладкой становится Вселенная, но есть предел гладкости, которой она могла бы достичь, иначе сегодня у нас вообще не было бы никакой структуры. Чтобы все это объяснить, нам нужна модификация Большого Взрыва: космологическая инфляция.)
Итак, вместо этого мы можем видеть чистую часть Вселенной, не вмешиваясь в материю, звезды или галактики, как можно глубже. Чем дольше вы смотрите на один участок неба, тем больше света вы соберете и тем больше узнаете о нем. Впервые мы сделали это в середине 1990-х с помощью космического телескопа Хаббла, указав на участок неба, на котором, как известно, практически ничего не было, и просто сели на это место и позволили Вселенной раскрыть то, что там было.
Пустая область неба, показанная в желтой L-образной рамке, была областью, выбранной в качестве места наблюдения оригинального изображения Hubble Deep Field. Без известных звезд или галактик внутри, в регионе, лишенном газа, пыли или известного вещества любого типа, это было идеальное место, чтобы заглянуть в бездну пустой Вселенной.
Это была одна из самых рискованных стратегий всех времен. Если бы это не удалось, это было бы пустой тратой более недели времени наблюдений на недавно исправленном космическом телескопе Хаббла, самой востребованной обсерватории для сбора данных. Но в случае успеха он обещал показать Вселенную так, как мы никогда раньше не видели.
Мы собрали данные о сотнях орбит на множестве различных длин волн, надеясь обнаружить галактики, которые были слабее, дальше и труднее увидеть, чем те, которые мы обнаруживали ранее. Мы надеялись узнать, как на самом деле выглядела сверхдалекая Вселенная. И когда это первое изображение, наконец, было обработано и опубликовано, мы получили представление, не похожее ни на что другое.
Первоначальное изображение Deep Field, полученное телескопом Хаббла, впервые показало некоторые из самых тусклых и самых далеких галактик, которые когда-либо видели. Только с многоволновым обзором ультрадалёкой Вселенной с длинной выдержкой мы можем надеяться обнаружить эти невиданные ранее объекты., Команда Hubble Deep Field/NASA)
Куда бы мы ни посмотрели, во всех направлениях были галактики. Не просто несколько, а тысячи и тысячи из них. Вселенная не была пустой и не была темной; он был полон источников света. Насколько мы могли видеть, звезды и галактики были сгруппированы повсюду.
Но были и другие ограничения. Самые далекие галактики вовлечены в расширение Вселенной, в результате чего далекие галактики смещаются в красную сторону за пределы точки, в которой наши оптические и ближние инфракрасные телескопы (такие как Хаббл) могут их обнаружить. Конечные размеры и время наблюдений означали, что можно было увидеть только галактики выше определенного порога яркости. И очень маленькие галактики с малой массой, такие как Segue 3 на нашем заднем дворе, были бы слишком слабыми и маленькими для разрешения.
Всего в карликовых галактиках Segue 1 и Segue 3, гравитационная масса которых составляет 600 000 Солнц, всего около 1000 звезд. Здесь обведены звезды, составляющие карликовый спутник Segue 1. Если новые исследования верны, то темная материя будет подчиняться разному распределению в зависимости от того, как звездообразование на протяжении истории галактики нагревало ее.
Таким образом, мы могли бы выйти за наши технологические ограничения на этом изображении середины 1990-х годов, но даже в этом случае мы никогда не смогли бы записать все галактики. Лучшей попыткой, которую мы когда-либо предприняли, был телескоп Hubble eXtreme Deep Field (XDF), который представлял составное изображение ультрафиолетовых, оптических и инфракрасных данных. Наблюдая за крошечным участком неба, настолько маленьким, что потребовалось бы 32 миллиона из них, чтобы охватить все возможные направления, в которых мы могли смотреть, мы накопили в общей сложности данные за 23 дня.
Соединяя все вместе в одно изображение, мы обнаружили нечто невиданное ранее: в общей сложности около 5 500 галактик. Это представляет собой самую высокую плотность галактик, которую когда-либо наблюдали через узкий, похожий на карандаш луч в космосе.
В ходе различных кампаний с длительной выдержкой, таких как экстремальное глубокое поле Хаббла (XDF), показанное здесь, были обнаружены тысячи галактик в объеме Вселенной, который представляет собой долю миллионной части неба. Но даже со всей мощью Хаббла и всем увеличением гравитационного линзирования все еще есть галактики, которые мы не в состоянии увидеть. (STScI))
Вы можете подумать, что мы могли бы оценить количество галактик во Вселенной, взяв число, которое мы наблюдали на этом изображении, и умножив его на количество таких изображений, которые потребуются, чтобы охватить всю небо.
На самом деле, вы можете получить впечатляющее число, сделав это: 5500, умноженное на 32 миллиона, дает невероятные 176 миллиардов галактик.
Но это не оценка; это нижний предел. Нигде в этой оценке не появляются слишком слабые, слишком маленькие или слишком близкие к другим галактики. Нигде не появляются галактики, затененные нейтральным газом и пылью, а также галактики, находящиеся за пределами возможностей Хаббла по красному смещению. Тем не менее, поскольку эти галактики существуют поблизости, они должны существовать и в молодой, далекой Вселенной.
Галактики, сравнимые с современным Млечным Путем, многочисленны, но более молодые галактики, подобные Млечному Пути, по своей природе меньше, голубее, более хаотичны и в целом богаче газом, чем галактики, которые мы видим сегодня. Для первых галактик это должно быть доведено до крайности, и оно остается в силе с тех пор, как мы когда-либо видели., С. Патель (Leiden U.) и команда 3-D-HST)
Важным компонентом, который нам нужен, чтобы получить истинную оценку, является то, как точно формируется структура во Вселенной. Если мы сможем запустить симуляцию, которая начинается с:
- ингредиенты, из которых состоит Вселенная,
- правильные начальные условия, отражающие нашу реальность,
- и правильные законы физики, описывающие природу,
мы можем смоделировать, как развивается такая Вселенная. Мы можем смоделировать, когда формируются звезды, когда гравитация стягивает материю в достаточно большие скопления, чтобы создать галактики, и сравнивать то, что предсказывает наше моделирование, с Вселенной, как близкой, так и далекой, которую мы наблюдаем на самом деле.
Удивительно, но в ранней Вселенной было больше галактик, чем сегодня. Но неудивительно, что они меньше, менее массивны, и им суждено слиться в старые спирали и эллипсы, которые доминируют во Вселенной, в которой мы живем в настоящее время. Симуляции, которые лучше всего соответствуют реальности, содержат темную материю, темную энергию и небольшие зародышевые флуктуации, которые со временем вырастут в звезды, галактики и скопления галактик.
Самое примечательное, когда мы смотрим на симуляции, которые лучше всего соответствуют наблюдаемым данным, мы можем извлечь, основываясь на нашем самом передовом понимании, какие глыбы структуры должны соответствовать галактике в нашей Вселенной.
Моделирование крупномасштабной структуры Вселенной. Определение того, какие регионы являются достаточно плотными и массивными, чтобы соответствовать галактикам, включая количество существующих галактик, является проблемой, к которой космологи только сейчас подходят.
Когда мы делаем именно это, мы получаем число, которое является не нижним пределом, а скорее оценкой истинного числа галактик, содержащихся в нашей наблюдаемой Вселенной. Замечательный ответ?
На сегодняшний день в пределах нашей наблюдаемой Вселенной должно существовать два триллиона галактик.
Тем не менее, это число так сильно отличается от нижнего предела, который мы получили на изображении экстремального глубокого поля Хаббла. Два триллиона против 176 миллиардов означают, что более 90% галактик в нашей Вселенной находятся за пределами возможностей обнаружения даже величайшей обсерватории человечества, даже если мы будем искать почти месяц за раз.
Две близлежащие галактики, видимые в ультрафиолетовом изображении поля ТОВАРЫ-Юг, одна из которых активно формирует новые звезды (синяя), а другая представляет собой обычную галактику. На заднем плане также видны далекие галактики с их звездным населением. Несмотря на то, что они встречаются реже, все еще существуют галактики позднего периода, активно формирующие огромное количество новых звезд., и М. Монтес (Университет Нового Южного Уэльса))
Со временем галактики сливались и росли, но маленькие, слабые галактики все еще остаются сегодня. Даже в нашей Местной группе мы все еще открываем галактики, содержащие всего лишь тысячи звезд, а число известных нам галактик увеличилось до более чем 70. Самые тусклые, самые маленькие и самые далекие галактики из всех продолжают оставаться неоткрытыми., но мы знаем, что они должны быть там. Впервые мы можем научно оценить количество галактик во Вселенной.
Следующий шаг в великой космической головоломке - найти и охарактеризовать как можно больше из них, а также понять, как выросла Вселенная. Во главе с космическим телескопом Джеймса Уэбба и наземными обсерваториями следующего поколения, включая обсерваторию Веры Рубин, Гигантский Магелланов Телескоп и Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп, мы готовы открыть до сих пор невидимую Вселенную, как никогда прежде.
Итан в отпуске. Пожалуйста, наслаждайтесь этой старой статьей из архива Starts With A Bang!